低溫試驗(yàn)是對(duì)低溫閥門性能驗(yàn)證的一個(gè)重要手段，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥門低溫試驗(yàn)方法與實(shí)際工況有一定的差異，不當(dāng)?shù)牟僮魅菀自斐稍囼?yàn)結(jié)果的失真，甚至對(duì)受試閥門的損害。本文主要針對(duì)低溫球閥的特殊結(jié)構(gòu)，分析了閥門低溫試驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，提出了一些應(yīng)對(duì)措施。

1、前言

　　球閥以啟閉迅速、密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻小等特點(diǎn)，目前在低溫管道系統(tǒng)得到較廣泛應(yīng)用。用于工業(yè)低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結(jié)構(gòu)外，大都為非金屬軟密封閥座結(jié)構(gòu)，由于其運(yùn)行工況惡劣，作用關(guān)鍵，因此密封要求高，性能考核嚴(yán)格，其低溫性能試驗(yàn)是生產(chǎn)與使用過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序。

　　球閥的低溫試驗(yàn)具有一定的特殊性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為了解掌握球閥低溫試驗(yàn)的原理、方法及特性，科學(xué)、合理地利用低溫試驗(yàn)的手段，對(duì)促進(jìn)低溫球閥的研究、生產(chǎn)，持續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障重點(diǎn)工程建設(shè)均有著重要的意義。

2、閥門的低溫試驗(yàn)

2.1、目的

　　閥門低溫試驗(yàn)是檢驗(yàn)低溫閥門在低溫模擬工況環(huán)境下的性能，可以對(duì)低溫閥門整機(jī)性能作出評(píng)價(jià)。目前，閥門低溫試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要是：GB /T24925-2010、BS 6364:1984 等。低溫試驗(yàn)的主要內(nèi)容有: 檢驗(yàn)密封件、填料、上密封等處的密封情況；整機(jī)帶壓工況的操作性能等。檢測(cè)參數(shù)有: 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、填料函、冷媒及環(huán)境溫度；閥門出口端的瞬間泄漏量、累積泄漏量和平均泄漏量；試驗(yàn)介質(zhì)壓力極其變動(dòng)情況。試驗(yàn)介質(zhì)一般為氦氣。

2.2、試驗(yàn)裝置

　　閥門的低溫試驗(yàn)裝置如圖1 所示，試驗(yàn)裝置主要由低溫系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)3 部分組成。低溫系統(tǒng)以液氮作冷媒，營(yíng)造合適的低溫環(huán)境，應(yīng)具備浸漬和噴淋兩種降溫模式，其中噴淋降溫法要能實(shí)現(xiàn)0 ～-196℃溫度可調(diào)；壓力系統(tǒng)控制試驗(yàn)介質(zhì)壓力，提供試驗(yàn)需要的壓力源，對(duì)于貴重試驗(yàn)介質(zhì)，應(yīng)能盡可能實(shí)現(xiàn)回收重復(fù)利用；測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)過(guò)程中各物理量的采集、歸納、評(píng)定，輔助參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)的管理，整個(gè)試驗(yàn)裝置的過(guò)程控制，并提供完備的人機(jī)操作界面。

圖1 閥門低溫試驗(yàn)原理

2.3、試驗(yàn)過(guò)程

　　低溫試驗(yàn)前，應(yīng)使受試閥門充分干燥，去除閥內(nèi)的油脂及雜物。將低溫閥門安裝在低溫試驗(yàn)槽內(nèi)，連接好所有接頭，保證閥門填料部分位于保溫蓋以上，且溫度保持在0℃ 以上。將閥門浸入低溫介質(zhì)中，低溫介質(zhì)蓋住閥體與閥蓋連接部分上端，或使用噴嘴向閥門的閥蓋頸部以下均勻噴淋低溫介質(zhì)，使閥門冷卻至相應(yīng)的試驗(yàn)溫度。保持一定的時(shí)間，直到各處的溫度穩(wěn)定為止，溫度變化應(yīng)在± 5℃以內(nèi)。開(kāi)關(guān)閥門若干次，檢驗(yàn)其低溫操作性能；關(guān)閉閥門，按正常流向加壓，進(jìn)行密封試驗(yàn)。再將閥門處于半開(kāi)狀態(tài)，關(guān)閉出口端的針型閥，檢驗(yàn)閥門填料、閥體和閥蓋連接處的密封性。將試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，判定結(jié)果，形成結(jié)論。

3、球閥低溫試驗(yàn)中應(yīng)該注意的問(wèn)題

3.1、與實(shí)際工況的差異

　　目前的標(biāo)準(zhǔn)、資料所推薦的低溫試驗(yàn)方法幾乎都是采用外冷法，即利用冷媒從受試閥門外部提取熱量，降低閥門溫度。而低溫閥門的實(shí)際工況條件是: 低溫介質(zhì)從閥門內(nèi)部流過(guò)，外部接觸常溫或相對(duì)較高溫度環(huán)境。

　　外冷法帶來(lái)的問(wèn)題是使低溫閥門在試驗(yàn)初期產(chǎn)生一個(gè)與實(shí)際工況相反的溫度梯度，對(duì)低溫球閥而言，閥體和閥蓋快速冷卻，產(chǎn)生體積收縮，而此時(shí)球體、閥座尚未完全冷透，特別是由于非金屬閥座的隔熱作用，進(jìn)一步延緩了熱量傳遞過(guò)程。此時(shí)，原有的配合被改變，非金屬閥座或組合閥座的非金屬密封圈可能會(huì)受到過(guò)度擠壓，造成各部件動(dòng)作困難，我們姑且稱這種現(xiàn)象為: 低溫抱死。低溫抱死會(huì)使非金屬閥座產(chǎn)生永久性變形，即所謂“冷流”現(xiàn)象，并且，聚四氟乙烯等非金屬材料的熱膨脹系數(shù)要大于金屬材料，隨著內(nèi)、外溫度的逐漸平衡，內(nèi)件收縮，密封比壓降低或消失，密封副失效。即使低溫試驗(yàn)合格的產(chǎn)品，由于低溫管道實(shí)際工況的溫度梯度可能始終存在，閥門殼體的溫度水平高于內(nèi)件，裝配時(shí)預(yù)加的密封比壓會(huì)有所降低，仍可能會(huì)造成密封效果下降。

3.2、低溫抱死

　　低溫抱死帶來(lái)的損害有時(shí)會(huì)很嚴(yán)重，除了對(duì)閥座的擠壓外，連接殼體的緊固件和密封元件也會(huì)受到應(yīng)力異常升高帶來(lái)的損害，殼體和內(nèi)件相互抱緊后，受力情況復(fù)雜，嚴(yán)重時(shí)也可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)上的永久改變。

　　低溫球閥產(chǎn)生低溫抱死后最忌立即進(jìn)行開(kāi)、關(guān)操作，此時(shí)的開(kāi)、關(guān)操作在極大的應(yīng)力作用下很容易在閥座的密封面上產(chǎn)生一系列壓痕，甚至?xí)�造成球體端口對(duì)閥座的“啃切”現(xiàn)象，使閥座完全失效。

　　防止低溫抱死損害的有效手段是控制好降溫速率，降溫過(guò)程中保持閥門處于全開(kāi)或全關(guān)位置，設(shè)法進(jìn)行閥內(nèi)溫度的測(cè)定，維持一定的溫度穩(wěn)定時(shí)間，開(kāi)、關(guān)操作前要盡可能保持閥門內(nèi)、外溫度平衡。

3.3、材料低溫特性的影響

　　目前低溫閥門，特別是LNG 等介質(zhì)用超低溫閥門的金屬用材主要以304、304L、316、316L 等Ni—Cr 奧氏體不銹鋼為主，這類材料在低溫下仍能保持較好的強(qiáng)度和韌性，但這類材料也存在著某些不足，這些材料都屬于亞穩(wěn)定型不銹鋼，在低溫下會(huì)發(fā)生向馬氏體的金相轉(zhuǎn)變，由于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，低溫相變后會(huì)引起體積膨脹而導(dǎo)致零件變形。此外，溫度降低還會(huì)造成金屬結(jié)構(gòu)的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超出了材料的屈服極限時(shí)，零件將產(chǎn)生不可逆的永久變形。因此，低溫閥門零部件的深冷處理工藝是很關(guān)鍵的，深冷處理的目的就是使這些相變和變形在精加工之前充分發(fā)生，以保證成品零、部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。零部件沒(méi)有經(jīng)過(guò)深冷處理的低溫閥門在進(jìn)入低溫環(huán)境后可能會(huì)造成整機(jī)性能全面失效。

　　低溫球閥的非金屬閥座一般以聚四氟乙烯( PTFE) 、聚三氟氯乙烯( PCTFE) 等構(gòu)成，PTFE 和PCTFE 的理論脆化溫度均為-180 ～- 195℃，但實(shí)際上，商業(yè)化采購(gòu)的產(chǎn)品遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的溫度，閥座的低溫脆性帶來(lái)的損害有時(shí)是嚴(yán)重的，脆化后的閥座已失去了彈性補(bǔ)償能力，如果球體精度沒(méi)有足夠高，很難達(dá)到密封要求，特別對(duì)于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟密封閥座的零泄漏要求。此外，脆化后的閥座硬度急劇升高，有可能造成球體表面損傷或閥座脆裂。

3.4、降溫速率的影響

　　浸漬法降溫的速率其實(shí)是很難控制的，取決于閥門表面狀況和材料的導(dǎo)熱系數(shù)。但噴淋方式可以通過(guò)控制液氮噴淋量來(lái)調(diào)節(jié)降溫速率。從理論上來(lái)說(shuō)，較低的降溫速率可以降低閥門內(nèi)、外溫差，減小溫度梯度，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程有利，但會(huì)增加液氮的消耗。降溫速率應(yīng)視受試閥門的具體參數(shù)而定，如通徑、壁厚、結(jié)構(gòu)情況、內(nèi)件組成等。過(guò)快的降溫速率會(huì)加劇低溫抱死現(xiàn)象，并且，過(guò)大的溫度梯度會(huì)引起較高的內(nèi)應(yīng)力，造成構(gòu)件損壞。

圖2 閥門、外降溫過(guò)程

4、試驗(yàn)用冷媒和介質(zhì)的消耗控制

4.1、冷媒消耗及其控制

　　低溫試驗(yàn)中冷媒的理想消耗應(yīng)該是: 受試閥門連同試驗(yàn)槽內(nèi)的附屬設(shè)施從室溫降低到規(guī)定溫度所需要帶走的熱量，等于所消耗冷媒的汽化潛熱總量。減少冷媒消耗是降低試驗(yàn)成本的一項(xiàng)重要措施，減少冷媒消耗可以從以下方面著手: (1)選擇容積合適的低溫試驗(yàn)槽；(2) 盡可能減小試驗(yàn)槽內(nèi)的多余空間，可以用熱容量較小的材料填塞多余空間；(3) 對(duì)于需要溫度調(diào)節(jié)的試驗(yàn)，盡量采用噴淋方式調(diào)溫，避免使用酒精稀釋冷媒后的浸漬；(4) 集中安排試驗(yàn)，同規(guī)格的產(chǎn)品可以進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，以合理利用殘液；(5) 加強(qiáng)保溫措施，減少冷量的額外損耗。

4.2、試驗(yàn)介質(zhì)消耗及其控制

　　低溫試驗(yàn)的介質(zhì)一般規(guī)定為氦氣，氦氣是一種惰性氣體，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為-269℃，是用于閥門低溫試驗(yàn)比較合適的介質(zhì)。但氦氣的市場(chǎng)價(jià)格昂貴，而大口徑、高壓力閥門低溫試驗(yàn)的氦氣消耗量巨大，因此，氦氣的消耗控制及回收重復(fù)利用意義重大。從原理上來(lái)說(shuō)，氦氣的回收技術(shù)并不復(fù)雜，重要的是其過(guò)程的可操作性和操作的安全性設(shè)計(jì)。曾有人擔(dān)心氦氣回收后的純度問(wèn)題，其實(shí)，閥門低溫試驗(yàn)對(duì)氦氣的純度要求并不高，而且，閥門在低溫試驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)閥腔進(jìn)行氦氣吹掃，以排除內(nèi)腔空氣。閥門低溫試驗(yàn)時(shí)的深冷高壓環(huán)境已超過(guò)了絕大部分物質(zhì)的液化凝結(jié)點(diǎn)，回收后的氦氣純度變化不大，對(duì)低溫試驗(yàn)的重復(fù)使用也沒(méi)多少影響。

5、安全防范措施

　　閥門的低溫試驗(yàn)是一項(xiàng)具有一定危險(xiǎn)性的工作，安全防范措施十分重要。其危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)在: 液氮大量揮發(fā)造成的局部缺氧，會(huì)引起人員窒息；可能會(huì)出現(xiàn)的對(duì)人員的低溫“燙傷”；試驗(yàn)介質(zhì)大量泄漏而引起的冷媒飛濺；以及儀器、儀表的低溫?fù)p壞。因此，低溫試驗(yàn)的工作場(chǎng)所要保持良好的通風(fēng)，必要時(shí)，還需進(jìn)行人工強(qiáng)制通風(fēng)。要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，科學(xué)、合理地制定企業(yè)低溫閥門試驗(yàn)操作規(guī)程。操作人員必須持證上崗，并配備必要的安全防護(hù)裝備，要特別注意對(duì)臉、手等暴露在外的身體部位的保護(hù)，低溫操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格禁止一個(gè)人在現(xiàn)場(chǎng)工作。試驗(yàn)設(shè)備上要設(shè)置緊急停車功能，并使其操作部件處于最醒目和便于操作位置。對(duì)于高壓、大口徑等高參數(shù)試驗(yàn)，應(yīng)盡可能進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。受試閥門在低溫試驗(yàn)槽內(nèi)要有固定和夾緊措施。儀器、儀表的選擇要注重其抗低溫特性，及低溫下的性能穩(wěn)定性，防止其非耐低溫部位接觸低溫環(huán)境。對(duì)于暴露在外的低溫設(shè)備或設(shè)備的低溫部位要設(shè)立警示標(biāo)志，并進(jìn)行隔離，避免對(duì)無(wú)關(guān)人員的意外傷害。

6、結(jié)語(yǔ)

　　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥門低溫試驗(yàn)方法與低溫閥門的實(shí)際運(yùn)行工況環(huán)境有一定的差異，應(yīng)合理的控制降溫速率、降溫方式、保溫時(shí)間，使試驗(yàn)條件盡可能接近實(shí)際工況。對(duì)于球閥的低溫試驗(yàn)，要注意其構(gòu)件材料的低溫特性，防止低溫抱死、冷流等對(duì)受試閥門的損害。閥門低溫試驗(yàn)中的冷媒和試驗(yàn)介質(zhì)價(jià)格昂貴且消耗較大，應(yīng)注意消耗控制，或?qū)ζ浠厥罩貜?fù)利用。要加強(qiáng)安全防范措施，防止低溫對(duì)人員和設(shè)備的傷害。